Ora anche WEBZINE SPECIALE: TRENDS.

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1 Ora anche WEBZINE SPECIALE: TRENDS

2 Caro Lettore, da quest anno il Notiziario Tecnico di Telecom Italia è diventato un nuovo webzine social ( in cui è possibile discutere in realtime con gli autori i vari temi trattati negli articoli, leggere la rivista ricca di hyperlink multimediali, accedere ai canali social più diffusi; tutto questo continuando ad essere una rivista aumentata, cioè arricchita da contenuti speciali interattivi. Con l APP in Realtà Aumentata L Editoria+ di Telecom Italia, è infatti possibile, sul proprio device mobile, visionare videointerviste ad esperti del settore ICT, ricevere approfondimenti multimediali, consultare photo gallery aggiuntive sui vari articoli della rivista. Per accedere a tutti i contenuti aumentati del Notiziario Tecnico è sufficiente: 1) scaricare gratuitamente sul proprio smartphone l APP L Editoria+ di Telecom Italia, disponibile su Apple Store, Google Play (Android) e TIM Store 2) cercare nella rivista l icona sottostante presente sia sulla copertina del Notiziario Tecnico, che in molte pagine interne; 3) attivare l APP L Editoria+ e, tenendo il telefonino a circa cm di distanza, inquadrare con la fotocamera l immagine di proprio interesse. Con questi pochi passi puoi così visualizzare varie icone 3D, che, cliccate singolarmente, ti faranno accedere a un mondo tutto da esplorare.

3 1 EDITORIALE Il termine Comunicazione non è più sufficiente a descrivere il nostro settore. Non è comunicazione la molteplicità di usi, applicazioni e servizi resi possibili dall enorme flusso di dati che miliardi di dispositivi ogni secondo generano ed utilizzano, che unità di elaborazione e memoria custodiscono e trasformano, che connessioni di tutti i tipi raccolgono e distribuiscono. La comunità degli operatori di rete ha capito in ritardo questa trasformazione. Abbiamo continuato a seguire paradigmi consolidati legati all accesso ed al traffico e tutti i nuovi servizi sono nati al di fuori del nostro sistema di business ed ai bordi delle nostre reti. Le cause di ciò sono diverse ma sicuramente hanno influito la chiusura e l autoreferenzialità tipiche del nostro mondo, la nostra attitudine a confrontarci prevalentemente con noi stessi e con i nostri simili. Oggi è avvertita da tutti la necessità di guardare al di fuori dei nostri recinti, di comprendere per tempo gli impatti di nuove tecnologie, nuovi utilizzi, nuovi modi di far business anche lontani dal nostro core. Per questo motivo nel primo numero del Notiziario Tecnico del 2014 abbiamo voluto passare in rassegna alcuni trend di innovazione che in genere sono poco presenti nel radar screen degli Operatori. Si inizia con un interessante approfondimento sulle nanotecnologie che sono, a ragione, giudicate la base della terza rivoluzione industriale. Accanto ad un inquadramento storico, l articolo descrive lo stato attuale e le prospettive di evoluzione dei nuovi materiali. Molto interessante l impatto atteso sulla struttura dei processori, sulle reti ottiche e sulla sensoristica. Un successivo contributo è dedicato alla robotica con un focus particolare sui droni, sul loro possibile utilizzo nella nostra industry e sulle sperimentazioni che Telecom Italia Lab sta conducendo. A seguire siamo tornati sulla consumer electronics con un primo articolo sulla TV ad altissima definizione che sarà, insieme ai modelli di fruizione social e multiscreen, il driver di migrazione dei contenuti video sulle reti in cavo e con un secondo articolo sui dispositivi più innovativi come occhiali, orologi (le cosiddette wereable user interfaces) e le stampanti 3D. Nei numeri precedenti della rivista è stato più volte trattato il tema dei servizi finanziari abilitati dalla SIM (mobile payments, NFC, etc.). In questo numero si è dato invece spazio ad un inquadramento generale del tema delle monete virtuali con un approfondimento specifico su Bitcoin, che è la moneta virtuale più diffusa e con alcune suggestioni sui possibili modelli di business per gli Operatori. Nella parte finale si torna sui due trend innovativi di maggior rilievo per il modello di business degli Operatori: il software e i dati. Nel primo viene ben descritto il ruolo che la padronanza del software ha avuto nel successo dell ecosistema degli OTT contrapponendolo all approccio follower e vendor dipendent degli Operatori. La prospettiva delle reti software defined con intelligenza e prestazioni virtualizzate nei cloud impone un ripensamento complessivo ed una trasformazione profonda dell ingegneria delle reti e dei servizi. Nell articolo sui big data, a valle di un richiamo sul valore dei dati e sul loro potenziale di trasformazione per tutti i settori dell economia, viene fornito un quadro sintetico, ma molto chiaro, delle tecnologie abilitanti che sono oggi alla base delle più interessanti applicazioni. Come sempre... Buona Lettura! Oscar Cicchetti

4 2 SPECIALE SMART CITY NANOTECNOLOGIE: NANO-DIMENSIONI PER GIGA-BUSINESS Valter Bella, Valentina Cauda, Marco De Bortoli, Angelantonio Gnazzo PAG. 4 SPECIALE SMART CITY OLTRE LA TV AD ALTA DEFINIZIONE Diego Gibellino, Daniele Mazzoni PAG. 26 SPECIALE SMART CITY IL VALORE DEI BIG DATA NELLA DATA-DRIVEN SOCIETY Fabrizio Antonelli, Luigi Artusio, Corrado Moiso PAG. 38 SPECIALE SMART CITY EVOLUZIONE DEI DISPOSITIVI DELLA CONSUMER ELECTRONICS Gianni Fettarappa, Luca Lamorte, Gianluca Zaffiro PAG. 54

5 3 SPECIALE SMART CITY UN TREND EMERGENTE DELLA ROBOTICA DI SERVIZIO: I DRONI Marcello Chiaberge, Gian Piero Fici, Marco Gaspardone, Antonio Toma PAG. 64 SPECIALE SMART CITY IL FENOMENO DELLE MONETE VIRTUALI: OPPORTUNITÀ PER TELECOM ITALIA Katia Colucci, Corrado Moiso PAG. 76 SPECIALE SMART CITY IL SOFTWARE COME FATTORE DI CAMBIAMENTO PER L OPERATORE Roberto Minerva PAG. 90

6 4 Usa il tuo smartphone per visualizzare approfondimenti multimediali NANOTECNOLOGIE: NANO-DIMENSIONI PER GIGA-BUSINESS Valter Bella, Valentina Cauda, Marco De Bortoli, Angelantonio Gnazzo

7 5 Una breve introduzione sul mondo delle nanotecnologie, in forte sviluppo, che trovano già oggi impiego in molti settori industriali (dall'edilizia alla meccanica, dalla robotica alla farmaceutica ). Senza volersi addentrare negli aspetti fisico-chimici, in questo articolo si offre una panoramica generale sulle nanotecnologie, portando anche alcuni significativi esempi di applicazione più vicini al settore delle telecomunicazioni. 1 Introduzione Le Nanotecnologie (dal greco nanos, nano) sono quel ramo della scienza applicata e della tecnologia che si occupa del controllo, della progettazione e della realizzazione di dispositivi e materiali su scala dimensionale inferiore al micrometro, compreso normalmente fra 1 e 100 nanometri (si ricorda che 1 nanometro è pari ad un milionesimo di millimetro o a un miliardesimo di metro). Per meglio comprendere le dimensioni di cui stiamo parlando possiamo fare riferimento ad alcuni esempi. In pratica il rapporto fra 1 nanometro ed 1 metro corrisponde circa al rapporto di grandezza che esiste tra il diametro di una pallina da tennis ed il diametro del pianeta terra. Tuttavia il mondo delle nanotecnologie non offre solo i vantaggi legati alla riduzione delle dimensioni ma, aspetto questo fondamentale del mondo nanotech, consente di ottenere veri e propri cambiamenti delle proprietà fisiche, chimiche strutturali e cosi via che risultano intrinsechi nel passare da materiali nella loro forma naturale e quella nanometrica. Di conseguenza il comportamento dei diversi tipi di materia a livello nanometrico può risultare estremamente differente, e non sempre prevedibile, da quello che il materiale possiede nelle sue dimensioni originali. Ad esempio l oro ha nella sua forma massiva il classico colore giallo che lo contraddistingue mentre quando è sintetizzato in forma di aggregati di nanoparticelle posto in soluzione cambia colore a seconda della loro dimensione e forma. Proseguendo con gli esempi con dimensioni macroscopiche la temperatura di fusione del ghiaccio non cambia: un iceberg ed un cubetto di ghiaccio fondono alla stessa temperatura. La situazione è ben diversa in condizioni nanoscopiche: i nanocristalli di CdSe (Seleniuzo di Cadmio) fondono a 700 gradi Kelvin mentre i cristalli macroscopici a 1678 gradi Kelvin. Per comprendere tali fenomeni può essere di aiuto ad esempio la teoria legata alle nanoparticelle dove un parametro fondamentale è il rapporto esistente tra l area delle superfici ed il loro volume. Negli oggetti macroscopici (con un piccolo rapporto area/volume) le proprietà fisiche e chimiche sono essenzialmente determinate dalla struttura del solido, mentre negli oggetti più piccoli (con un elevato rapporto area/volume) le caratteristiche della superficie diventano determinanti e vanno ad influenzare le proprietà chimiche e fisiche. Con le Nanotecnologie cambia quindi il rapporto tra particelle interne e di superficie e si vengono a modificare di conseguenza le proprietà e le caratteristiche fondamentali del materiale. A parità di composizione chimica il solido nanostrutturato possiede migliori proprietà rispetto al solido con una normale struttura: i metalli migliorano le loro proprietà meccaniche, i materiali ceramici la loro tenacità, i polimeri le proprietà elettriche e cosi via. La sintesi ed il controllo dei materiali effettuata su scala nanometrica consente di migliorare le proprietà strutturali e funzionali. Con le Nanotecnologie nascono quindi una nuova serie di materiali e di dispositivi con proprietà insospettate a livello massivo che aprono nuovi interessanti e

8 6 dirompenti scenari sostanzialmente in tutti i settori applicativi della chimica, dell edilizia e delle costruzioni, della medicina, della elettronica e cosi via. Anche se molti dispositivi nanotech sono già oggi disponibili e trovano ampia applicazione siamo sicuramente in una prima fase della ricerca nel settore: le potenzialità offerte da questa scienza sono enormi e ancora in buona parte da investigare. Secondo alcuni studiosi il mondo delle nanotecnologie ha espresso sino ad oggi solo il 10% delle sue potenzialità. Appare interessante riportare alcune citazioni che arrivano dal mondo scientifico ed accademico secondo le quali la nanotecnologia sarà il motore della terza rivoluzione industriale o una tecnologia con prospettive gigantesche, in grado di cambiare sostanzialmente il modo di vita degli individui ed ancora più semplicemente la tecnologia del futuro. La nanotecnologia costituisce un ambito d'investigazione altamente multidisciplinare che coinvolge molteplici indirizzi di ricerca che vanno dalla biologia molecolare alla chimica, dalla scienza dei materiali alla fisica fino all'ingegneria meccanica ed elettronica. 2 Un po di storia L idea di ridurre le dimensioni degli apparati e di aumentarne le prestazioni non è certo una idea dei giorni nostri. Prendiamo ad esempio il mondo dei calcolatori. Nella Figura 1 è riportato ENIAC il primo computer elettronico, sviluppato negli Stati Uniti intorno al Possiamo Figura 1 - Il calcolatore ENIAC dargli molte definizioni ma non certo quella di un computer portatile. Realizzato nel 1945 ENIAC aveva un peso complessivo di circa 30 tonnellate, il consumo energetico era elevatissimo visto che era costituito da circa 20mila valvole con un consumo stimato di 200 KW. ENIAC richiedeva uno spazio di 180 m2 e ben 30 persone per turno di lavoro erano necessarie per un suo corretto funzionamento. Pochi anni dopo ecco arrivare il suo successore EDVAC che rappresenta un timidissimo tentativo di, se possiamo chiamarla cosi, miniaturizzazione : operativo dal 1949 EDVAC era costituito da 6mila valvole con un consumo ridotto a 56 KW, un peso pari a 7,8 tonnellate e solo 45 m2 di spazio occupato. Al di là di questi esempi storici i progressi conseguiti nel tempo verso le soluzioni tecnologiche del mondo estremamente piccolo e ad elevata efficacia ed efficienza

9 7 sono stati, come tutti ben sappiamo, enormi. Da allora abbiamo visto costantemente ridursi le dimensioni degli elaboratori elettronici ed aumentare in modo significativo le loro prestazioni. Questa tendenza può essere sintetizzata con la ben nota legge di Moore, famoso tecnologo e cofondatore di Intel. La legge di Moore, presentata per la prima volta nel 1965, sostanzialmente prevede che ogni 18 mesi le dimensioni dei dispositivi elettronici elementari tendono a dimezzarsi e, conseguentemente, la densità dei dispositivi presenti per unità di superficie quadruplicano. Allo stesso tempo la legge prevede anche un analogo incremento nella velocità di elaborazione. Nel corso del tempo abbiamo quindi avuto dispositivi sempre più piccoli ma sempre più efficaci e potenti. Questo trend è stato sostanzialmente rispettato sino ad oggi conducendo ad un evoluzione dei dispositivi microelettronici che tutti ben conosciamo. I costi di ricerca e di innovazione sostenuti nel mondo per arrivare a questi risultati sono stati elevatissimi (e lo saranno ancor di più in futuro) e solo poche aziende sono riuscite a reggere il ritmo di questa impressionante evoluzione tecnologica. Più recentemente si è affacciata nel settore una nuova straordinaria soluzione, quella delle Nanotecnolgie. La nascita di questa disciplina può essere fatta risalire al 29 dicembre del 1959 nel corso di una riunione dell American Physical Society. In quella occasione il fisico americano Richard Feynman ( ) (uno degli scienziati più straordinari dello scorso secolo) descrisse i suoi studi e le sue intuizioni nel settore del mondo infinitamente piccolo. Nel suo intervento e nel suo testo Ther s Plenty of Room at the Bottom e cioè Esiste un sacco di posto libero là sotto, Feynman (considerato il padre delle nanotecnologie ed ispiratore del computer quantistico) propose le sue intuizioni ed i suoi studi volti a introdurre metodologie e tecniche di manipolazione diretta di atomi e molecole. In quella occasione Feynman (Figura 2) lanciò quella che apparve una provocazione: quella di scrivere sulla punta di uno spillo tutta la Enciclopedia Britannica. Per questi studi Feynman ricevette nel 1965 il Premio Nobel per la fisica. L enorme interesse destato dall intervento di Feynman ebbe come conseguenza un forte impegno negli studi e nella ricerca di set- Figura 2 - Richard Feynman, l inventore delle Nanotecnologie tore condotti nei principali centri di ricerca e laboratori del mondo. Il termine Nanotecnologia venne coniato nel 1974 dal fisico giapponese Taniguchi e ripreso in seguito da Eric Drexel che, due anni dopo, definì le nanotecnologie come...una tecnologia a livello molecolare che ci potrà permettere di porre ogni atomo dove vogliamo. Chiamiamo questa capacità Nanotecnologia perché funziona su scala del nanometro, cioè un milionesimo di metro. Un altra tappa significativa nel mondo delle Nanotecnologie è quella della ideazione e costruzione, da parte dei ricercatori IBM di Zurigo, del primo microscopio (strumento questo indispensabile della ricerca nell ambito delle nanotecnologie) a scansione che

10 8 costituì il primo vero strumento della scienza e della ricerca nel settore. Successivamente Eigler (IBM) scrisse il nome della propria azienda con 35 atomi di Xenon. In tempi più recenti è da ricordare la scoperta e la realizzazione dei primi nanotubi di carbonio nel 1991 (che apriranno la strada ad una vastissima area di applicazioni) mentre nel 2001 venne realizzato il primo circuito logico a base di nanotubi ed un anno dopo venne messo a punto il primo nanomotore. Potremmo considerare questa data come quella di svolta delle nanotecnologie: dalla fase di studio e ricerca sperimentale, alla disponibilità dei primi dispositivi commerciali in un tempo di sviluppo sorprendentemente rapido per una tecnologia cosi complessa. 3Nanotecnologie: gli esempi in natura Figura 3 - Il sistema adesivo del geco Se le Nanotecnologie rappresentano una tecnologia relativamente recente, in natura esempi di soluzioni nanotech sono ben presenti da tempo. Prendiamo l esempio del geco. Il geco si arrampica su qualsiasi superficie (anche vetro) senza cadere mai anche se nelle sue zampe non ci sono ventose, aculei, sostanze oleose. Questo animale ha un peso di circa 50 grammi, ma resiste a trazioni di 20 Newton. Le regole che guidano l adesione del geco alle superfici sono una scoperta recente 1, e sono legate alle caratteristiche delle sue zampe che risultano essere nanostrutturate : hanno infatti una dimensione pari a una moneta di 1 cent formate da fitta peluria: 15mila setole per cm². Ogni setola (Figura 3) si suddivide in centinaia di filamenti con diametri dell ordine del nanometro e superficie troncata. Date le dimensioni ogni setola si avvicina alla parete stabilendo una particolare debole reazione che moltiplicata per i miliardi di setole costituisce una forza significativa, che consente all animale di aderire a qualsiasi superfice senza fatica. Per staccare la zampa il geco non fa fatica: basta cambiare l'inclinazione delle setole e la forza di adesione viene a mancare. L esempio del geco è stato in qualche modo recepito dai nanotecnologi che hanno realizzato, ad esempio, diverse soluzioni adesive con ottime proprietà. Un altro esempio ci arriva dal fiore di loto. Le foglie del loto hanno una struttura delle foglie a livello nanometrico che le rende idrorepellenti e le mantiene costantemente pulite ed asciutte nonostante il loro habitat sia particolarmente umido. Il meccanismo naturale di pulizia è legato alla alta tensione superficiale della struttura ruvida a livello nanotecnolgico, maggiormente idrorepellente rispetto alle superfici piatte e in grado di consentire alle gocce di umidità e di pioggia di rotolare sulle superfici per rimanere costantemente asciutte. Anche in questo caso la natura ha fornito lo spunto per applicazioni pratiche: attualmente sono disponibili materiali idrorepellenti realizzati anche con grado idrofobico controllabile (es: mediante controllo elettrico o termico dell angolo di contatto) che trovano applicazioni nel settore delle costruzioni, tessile e aereo-spaziale. Come ultimo esempio in natura, parliamo dei mitili. I mitili sono maestri nell arte di aderire a superfici bagnate e soggette a forze continue, mutevoli (intensità, direzione) e di notevoli intensità quali ad esempio le onde del mare quando si infrangono sugli scogli. L adesione alle superfici viene effettuata mediante l unione di filamenti (il bisso) di dimensioni nanometriche (elemento ad alta resistenza alla tensione ed alla trazione) e potenti sostanze adesive ed impermeabili ricoperte da materiali idrorepellenti e resi Università di Berkeley

11 9 stenti. Sono infatti elementi allo stesso tempo duri, elastici e resistenti alla tensione. Le proprietà del bisso sono note da tempo e con esso sono stati realizzati in passato numerosi manufatti quali corde per la navigazione e reti per la pesca o tessuti di pregio. Fotografie dal mondo delle 4 Nanotecnologie La disponibilità di microscopi ad elevatissime prestazioni (ingrandimenti, qualità delle immagini, ) offrono l opportunità di investigare con accuratezza il mondo delle nanotecnologie offrendo anche delle immagini curiose ed affascinanti. Potremmo definire queste due fotografie (Figura 4 e Figura 5) storiche del mondo nanotech: sono state infatti realizzate negli anni novanta. Entrambe riportano il confronto tra i primi dispositivi nanotecnologici e rispettivamente una formica ed un acaro. Il mondo delle nanotecnologie fornisce immagini suggestive come nei due casi seguenti. La prima immagine riguarda un esempio di applicazione delle nanotecnologie alla farmaceutica: si mostra un piccolo complesso di molecole che sono state essiccate a spruzzo una tecnica comunemente usata nell industria farmaceutica per migliorare la loro solubilità. Si notano gusci (Figura 6) secchi attorno a una sfera di materiale umido. Come si diffonde l umidità residua ed evapora la sfera si sgretola e libera il proprio contenuto. La seconda immagine, Figura 7, riporta alcune sfere di nichel in una struttura di diamante per multi-connessioni in strutture nanotecnologiche. Secondo alcuni ricercatori "le Nanotecnologie rivendicano anche la loro valenza creativa ed ispirano la fantasia di nanoscultori ed artisti nanotech (Figura 8). Figura 4 - Una formica trasporta un microchip Figura 5 - Un acaro osserva un motore nanotech Figura 6 - Complesso di molecole essiccate Figura 7 - Sfere di nichel in struttura di diamante

12 10 Figura 8 - Il NanoEden (Fonte: Università del Michigan) Quale migliore avanguardia artistica se non la Nanotecnologia per rinnovare ed innovare lo stupore?!". Le principali aree applicative delle 5 Nanotecnologie Come ricordato in precedenza i dispositivi nanotecnologici hanno già trovato oggi un ampia applicazione in molti settori. Vediamone alcune. 5.1 Elettronica e Tecnologia della Informazione E questo sicuramente uno dei settori che maggiormente ha beneficiato delle nanotecnologie e che ha consentito di ottenere una classe di dispositivi, che ha modificato positivamente la vita quotidiana di ognuno di noi. A grandi linee il livello di integrazione ha seguito recentemente le seguenti tappe 2 : 32 nm nel 2009, 22 nm nel 2011, 14 nm come previsione a fine nel Quali le dimensioni raggiungibili con i prossimi passi? Il dibattito internazionale è aperto. 5.2 Reti di Telecomunicazioni Possiamo segmentare il concetto di rete di telecomunicazioni in tre parti: generazione dei segnali; trasmissione; rilevazione/elaborazione dei segnali. In questa catena, la fotonica è quella dove maggiormente si sta investendo a livello mondiale, anche se per il rilegamento di utente residenziale si sta spremendo sempre più il doppino rame che originariamente forniva solo il servizio voce. Le elevate prestazioni non si ottengono solo con un mezzo trasmissivo ideale quale può essere la fibra ottica, ma servono sempre più componenti efficienti di generazione, rilevazione ed elaborazione dei segnali: i cosiddetti circuiti fotonici. È ampiamente riconosciuto, che solo i circuiti fotonici possono assolvere al ruolo di elevate prestazioni. Uno dei limiti maggiori per conseguire questo obiettivo è il livello di integrazione attualmente raggiungibile con i circuiti fotonici che possono svolgere solo poche funzioni sullo stesso chip. La ragione principale è la dimensione dei componenti fotonici, che si estende tipicamente in alcuni mm. Le nanotecnologie possono superare gli attuali limiti dimensionali dei circuiti di elaborazione. Ricordiamo brevemente che in un sistema ottico i segnali vengono trasmessi sotto forma di fotoni (luce) che non hanno carica elettrica e quindi non possono essere influenzati da campi elettrici e magnetici. Inoltre attraverso i fotoni si esclude qualsiasi forma di cross talk (diafonia): i segnali ottici non interferiscano con altri provenienti da fibre poste in prossimità. Il confinamento del segnale all interno della fibra garantisce inoltre l impossibilità di intercettazione dall esterno per tutta la lunghezza del collegamento, e quindi la sicurezza della comunicazione. L uso delle fibre ottiche per le reti di comunicazione elimina i problemi legati all esigenza di contatti di terra (tipici di una rete metallica) e i rischi di scariche (scintille) ed inoltre offre un ottimo rapporto resistenza-peso dei cavi. Il completo isolamento elettrico, la struttura e i metodi di accoppiamento delle fibre ottiche consentono l inserimento in molti fluidi e un ottima resistenza in molteplici condizioni metereologiche. Una proprietà fondamentale è l incremento della banda passante e la diminuzione delle perdite di trasmissione in alta frequenza rispetto ai cavi coassiali. 2 Source: Intel

13 11 Negli anni 90, l esplosione di Internet aveva portato ad una domanda di banda che andava ad impegnare principalmente i livelli della rete ottica relativi ai collegamenti a lunga distanza, tale domanda di banda era supportata dal concomitante sviluppo di una nuova tecnologia denominata fotonica. La fotonica di prima generazione era basata sulla tecnologia del WDM (Wavelenght Division Multiplexing), ossia sull utilizzo della fibra ottica, la quale mediante il transito di molte lunghezze d onda concomitanti, rendeva possibile la moltiplicazione delle capacità di trasporto della rete contenendo nel contempo la sua espansione fisica. Ad inizio degli anni 90 fu commercializzato da parte di Pirelli, un dispositivo fondamentale per la fotonica: il primo amplificatore ottico terrestre. Attualmente i nuovi servizi basati su DSL richiedono da un lato l aumento di banda e dall altro un sostanziale adeguamento della rete ottica, anche in considerazione che quest ultima è rimasta praticamente immutata rispetto agli anni 90. L adeguamento della rete, diversamente da quanto accadde nella scorsa decade, riguarderà soprattutto i livelli metropolitani e quelli di accesso e sarà pertanto percepito in modo molto evidente dal cliente finale. L ottenimento di componenti ottici a basso costo può essere realizzato sia utilizzando materiali a basso costo, sia diminuendo le dimensioni critiche dei percorsi circuitali essenzialmente costituiti da guide d onda planari. Per quanto riguarda i materiali a basso costo la scelta cade sull uso del silicio e dei suoi composti, mentre mediante l ausilio di tecniche di progettazione, che utilizzino l elevato salto d indice di rifrazione, per le guide d onda possiamo diminuire le dimensioni critiche dei percorsi circuitali. Alla fine del 2012, IBM ha annunciato un progresso nelle comunicazioni ottiche, verificando in ambiente di produzione la possibilità di utilizzare la luce, anziché i segnali elettrici, per trasmettere le informazioni nei computer del futuro. La tecnologia rivoluzionaria, chiamata nanofotonica in silicio (Figura 9) consente l integrazione su di un unico chip di silicio di diversi componenti ottici fianco a fianco con circuiti elettrici, utilizzando per la fabbricazione, per la prima volta, una tecnologia inferiore a 100 nm. La nanofotonica in silicio sfrutta gli impulsi luminosi per la comunicazione e fornisce una superautostrada, su cui grandi volumi di dati possono spostarsi, a velocità elevate, tra i chip dei computer, nei server, nei grandi data center e nei supercomputer, attenuando così le limitazioni poste dalla congestione del traffico di dati e dai costi elevati delle interconnessioni tradizionali. Questa rivoluzione tecnologica è il risultato di più di dieci anni di Figura 9 - Esempio di chip nanofotonico ricerca pionieristica - spiega il Dr. John E. Kelly, Senior Vice President e Director di IBM Research e ci consente di trasferire la tecnologia della nanofotonica in silicio nell ambiente di produzione reale, con un impatto su una vasta gamma di applicazioni. La quantità di dati creati e trasmessi attraverso le reti aziendali continua a crescere e la nanofotonica in silicio, ormai pronta per lo sviluppo commerciale, può consentire al settore di tenere il passo con la sempre più impegnativa domanda di prestazioni dei chip e di potenza di calcolo. Le imprese stanno entrando in una nuova era dell informatica, che richiede ai sistemi la capacità di elaborare e analizzare in tempo reale enormi volumi di informazioni. La tecnologia della nanofotonica in silicio fornisce una risposta alle sfide poste dai Big Data, collegando senza soluzione di continuità varie parti dei grandi sistemi, sia che si trovino a pochi centimetri o a chilometri di distanza, e spostando terabyte di dati mediante impulsi luminosi attraverso le fibre ottiche. Su sito de Le scienze del 14 Gennaio , intitolato Verso un 3

14 12 calcolatore fotonico basato su metamateriali, viene spiegato in modo sintetico ed esauriente come questo dispositivo, che nel suo funzionamento è concettualmente più simile ai primi calcolatori meccanici che a quelli digitali, potrebbe essere miniaturizzato e integrato in dispositivi di calcolo automatico più ampi e complessi basati sulla trasmissione fotonica dei segnali. Difatti il calcolo fotonico rappresenta una sorta di ritorno al passato analogico del calcolo automatico perché non ha bisogno che il problema da risolvere venga tradotto in un apposito linguaggio. Nella Figura 10 4 si mostra lo schema di funzionamento del calcolatore fotonico: attraversando il metamateriale a multistrato, il profilo dell'onda viene trasformato nella sua derivata prima o seconda. In Italia, al Laboratorio Nanoscienze del Dipartimento di Fisica dell Università Università di Trento 5, sono stati realizzati amplificatori ottici, risonatori ottici, diodi elettroluminescenti ed altri componenti grazie alle nuove proprietà risultanti dal confinamento spaziale di portatori di carica e di fotoni. Figura 10 - Schema di funzionamento del calcolatore fotonico Figura 11 - Chip al grafene Merita inoltre fare un cenno anche sulle tecnologie wireless basate su componenti di nanotecnologie. Sempre IBM, nel 2011, hanno annunciato un chip (Figura 11) basato sul grafene (quindi carbonio invece di silicio) che opera a frequenze fino a 10 GHz. A titolo di esempio infine in Figura 12 si riportano due esempi di circuiti nanoelettrici. 5.3 Sanità I settori della sanità, della farmacologia e del wellness sono quelli dove le nanotecnologie hanno trovato le prime applicazioni, tra le quali: la disponibilità di nuovi farmaci nanostrutturati (focused drug delivery), che offrono nuove modalità ed opportunità di somministrazione ed impiego (Es. insuline intelligenti, gel cicatrizzanti, ) anche con risposta a comando (triggered response). Da citare anche nuovi materiali con elevate prestazioni (dalle protesi ai cerotti, odontoiatria, ), i sensori ad alta efficienza-prestazioni e minore invasività (Es.: cicatrizzanti intelligenti, rilevatori di cellule cancerogene, ). Interessanti applicazioni 4 (Fonte: Alexandre Silva dell'università della Pennsylvania) 5 (

15 13 In questo ambito si ricordano applicazioni legate alla Nanosensolimitati effetti legati ad eventuali danni vandalici, parti del motore e delle carrozzerie ultraleggere e resistenti agli stress meccanici e termici, maggiormente resistenti alla corrosione, meno inquinanti (vedi ad esempio le marmitte catalitiche di ultima generazione); il tutto basato sull impiego delle nanotecnologie. Da non dimenticare la prevista massiccia introduzione di nanosensoristica avanzata nelle vetture che presumibilmente cambierà in modo radicale il funzionamento delle auto nei prossimi anni (vedi ad esempio, Figura 13, un esempio di self driving car ). Anche nel settore del trasporto aereo, come in quello aerospaziale, i prodotti nanotecnologici sono largamente ed utilmente impiegati da tempo: la realizzazione di velivoli più leggeri e sicuri consente, ad esempio, di ridurre sensibilmente i costi dei carburanti, aumentare la sicurezza e le prestazioni dei velivoli. 5.5 Settore Agricolo ed alimentare Figura 12 - Nano-circuiti elettrici anche nel settore della nano-micro chirurgia e strumenti chirurgici innovativi, nel settore degli esami di laboratorio (Es. speed DNA evaluation, fluorescenza molecolare, ), nei prodotti di cosmesi e nella sensoristica avanzata. Figura 13 - Un esempio di driverless car 5.4 Trasporti Il settore dell auto vede già oggi largamente impiegati i vetri autopulenti ed antiriflesso, le carrozzerie delle vetture antigraffio e con

16 14 La parola all Istituto Italiano di Tecnologia: i nanowires di Zinco Tra i tanti traguardi raggiunti dalla ricerca scientifica nel campo delle nanotecnologie uno dei risultati più importanti riguarda l ambito del recupero e generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Tra questi i cosiddetti Energy Harvester, ovvero letteralmente immagazzinatori di energia costituiti da nanowires (dall inglese, nanofili ) di ossido di zinco, materiale sul quale si sta ampiamente lavorando all IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) nella sede di Torino, il Center for Space Human Robotics. L ossido di zinco (ZnO) è un materiale estremamente versatile, essendo sia un semiconduttore sia un materiale piezoelettrico. Dal punto di vista chimico è anche molto semplice da sintetizzare e può essere preparato in modo rapido e poco costoso con svariate tecniche e le caratteristiche opportunamente modificate a seconda dell applicazione finale. In particolare, nella forma di nanowires, il diametro è di scala nanometrica (circa nm), mentre la lunghezza può essere variata a piacimento a seconda della durata della sintesi tra i 100 nm fino a 50 µm [1]. Quando è sottoposto ad uno stress meccanico, come una compressione o un piegamento laterale, lo ZnO genera una differenza di potenziale. Collegato quindi ad un opportuno circuito elettrico che formi a uno dei due capi del nanowire un contatto di tipo Schottky (ovvero un diodo, dove la corrente può passare solo in un verso), lo ZnO deformato è in grado di produrre un flusso di elettroni nel circuito esterno che compensa lo squilibrio di cariche elettriche all interno del materiale. Si genera pertanto della corrente elettrica. La presenza della barriera di Schottky ad un capo del nanowire fa sì che gli elettroni non possano fluire dal circuito elettrico allo ZnO, generando pertanto un accumulo di carica che viene liberato con un improvviso flusso di elettroni e quindi un picco di tensione (e di corrente), quando la deformazione presente nel nanowire viene eliminata. In particolare si è visto che il movimento di cariche elettriche generato è proporzionale allo sforzo meccanico applicato. L idea interessante è quella di fabbricare

17 15 tanti nanowires di ZnO tutti dritti ed allineati tra loro, come le setole di una spazzola, vincolati ad una base comune di materiale conduttivo e collegati elettricamente anche dalle loro punte. Applicando una sollecitazione meccanica di qualunque tipo, ad esempio in compressione sulla testa dei nanowires o ponendo in oscillazione le loro punte, ed avendo a disposizione milioni di nanowires allineati verticalmente, la quantità di tensione elettrica generata può raggiungere valori notevoli, dell ordine di qualche V [2]. È indispensabile tuttavia fabbricare un circuito elettrico adatto in grado di raccogliere e immagazzinare questa energia prodotta. Si può ad esempio utilizzare un semplice circuito di read-out (ovvero di lettura) della corrente generata e ottenere l informazione sulla pressione meccanica applicata. In questo caso il dispositivo a base di ZnO funziona da sensore piezoelettrico di pressione. Se il circuito elettrico è opportunamente studiato con dei condensatori in grado di accumulare la carica elettrica generata dallo sforzo meccanico applicato, il dispositivo diventa un Energy Harvester, in grado di accumulare la carica e di rilasciarla a richiesta per l alimentazione di piccole utenze, quali piccoli display LCD, lampadine a LED, eccetera. In particolare si è scoperto che all aumentare della lunghezza dei nanowires di ZnO, ad esempio da circa 1.5 µm a 5 µm, la quantità di energia prodotta da una sollecitazione meccanica in compressione aumenta da circa 10 nj a 35 nj [2]. I dispositivi che derivano da queste proprietà possono quindi essere usati come nano-generatori di corrente elettrica. Immaginiamo di poter possedere un tale dispositivo che anche alle minime sollecitazioni, appunto perché fatto di oggetti nanoscopici, generi corrente elettrica: è un dispositivo che può essere indos- sato e attivato dai movimenti involontari del corpo umano, quali la respirazione, il battito cardiaco, oppure può essere inserito nella suola di una scarpa e sollecitato ad ogni passo. A questo proposito i ricercatori dell IIT di Torino hanno presentato, alla Notte dei Ricercatori il 26 settembre 2013, un dispositivo innovativo costituito da nanowires di ZnO dispersi in una matrice di gomma siliconica. Il composito ottenuto, altamente flessibile e conformabile alle superfici su cui viene applicato, è in grado di generare dei picchi di tensione, che opportunamente immagazzinati in un circuito elettrico di harvesting, permettono l accensione di uno o più led [3]. Questo dispositivo flessibile è ancora sotto studio per essere utilizzato sia in veste di sensore come pelle artificiale, da applicare sulla superficie di robot umanoidi, o come Energy Harvester, in grado di raccogliere e accumulare energia dalla compressione meccanica, ad esempio come soletta inserita in una scarpa. La carica elettrica che ne viene generata può essere utilizzata per alimentare dispositivi miniaturizzati e portatili, che monitorino parametri biometrici come la pressione sanguigna o la concentrazione di glucosio nel sangue di un soggetto diabetico. In alternativa questi dispositivi possono generare una quantità di energia sufficiente per ricaricare un cellulare o un dispositivo GPS da polso durante una performance sportiva o una gita in montagna, rendendoci indipendenti dall utilizzo di batterie o dalla disponibilità di prese elettriche. In un altro esempio, i ricercatori del gruppo del Professor Wang dell Università della Georgia hanno anche dimostrato che un singolo nanowires di ZnO lungo circa 500 µm e con diametro compreso tra i 100 e gli 800 nm, montato su un sup- porto flessibile e collegato elettricamente ai due capi su tale supporto, è in grado di essere sollecitato meccanicamente dal battito cardiaco di un topo e generare circa 3 mv e 30 pa ad ogni battito [4]. È evidente come questi dispositivi a base di ossido di zinco siano in grado di recuperare energia dall ambiente, dal movimento più o meno volontario e regolare, dalle vibrazioni anche a bassa frequenza. Sono sistemi altamente versatili, portatili e miniaturizzati che permettono di generare energia da fonti rinnovabili, quindi un energia pulita e sostenibile [1] M. Laurenti, V. Cauda, R. Gazia, M. Fontana, V. Farías Rivera, S. Bianco, G. Canavese Wettability control on ZnO nanowires driven by seed layer properties, EUROPEAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY, 2013, Vol (14), pp [2] V. Farías Rivera, F. Auras, P. Motto, S. Stassi, G. Canavese, E. Celasco, T. Bein, B. Onida, V. Cauda Lengthdependent charge generation from vertical arrays of high-aspect ratio ZnO nanowires CHEMISTRY: AN EUROPEAN JOURNAL, 2013, Vol. 19 (43), pp [3] piemonte.nottedeiricercatori.it/index. php/programmi/torino/155-lana-philosophica [4] Z. Li, G. Zhu, R. Yang, A.C. Wang, Z. L. Wang Muscle-Driven In Vivo Nanogenerator ADVANCE MATERIALS, 2010, Vol. 22, pp

18 16 ristica diffusa e localizzata applicata alla agricoltura (smart farm), nei sistemi di somministrazione di pesticidi, fertilizzanti (nanodispenser), nel controllo e localizzazione a distanza delle colture (precision farm), nel rilevamento del grado di purezza delle sostanze (Es. nano barcode), nella conservazione e monitoring alimentare, nel packaging intelligente (Es. rilevamento batteri), nei processi di purificazione dei liquidi (Es. acqua), nelle applicazioni nel settore della bonifica agricola, nel settore ecologico e controllo dell ambiente. 5.6 Tessile, abbigliamento e sport Numerose le applicazioni in questo settore, alcune disponibili già da molti anni, quali ad esempio il famoso tessuto Goretex (1980), precursore di una nuova classe di tessuti più moderni ed efficaci, costituito da fori del tessuto 20mila volte più piccoli delle particelle dell acqua (ma permette la respirazione e la traspirazione). Si ricordano inoltre i tessuti/ film/fibre idrorepellenti, autopulenti, antibatterici, isolanti, traspiranti, antimacchia, anti UV, antistatici, resistenti ai lavaggi, antifiamma, con colori mutanti e le applicazioni nel settore sport, lavoro, antinfortunistico come i polimeri anticontraffazione MPID (Materiali Plastici Informativi Decodificabili). Anche il settore della oggettistica sta fortemente beneficiando dei materiali in arrivo dal mondo della nanotecnologia con ad esempio le lampade ad illuminazione e purificazione aria o il settore della orologeria. 5.7 Costruzioni Si ricordano in questo ambito i nuovi materiali quali le leghe a memoria di forma SMA (Shape Memory Alloys), le strutture portanti con nanotubi con elevatissime prestazioni meccaniche, gli additivi per materiali edili (calcestruzzo) ad alta resistenza, i siliconi termicamente conduttivi, i materiali anticorrosione, autopulenti, idrorepellenti, isolanti, antiscivolo. Interessanti applicazioni si riscontrano anche nel settore dei materiali per il recupero di edifici storici (Es. Progetto Nanomat 6 ) o nella realizzazione dei magazzini di scorie nucleari. Particolarmente interessante l area dei materiali impiegati in edilizia quali i materiali per rivestimenti costituiti da microscopiche sfere cave di ceramica immerse in supporto acrilico con innovative caratteristiche fisiche, quali alta riflettività nello spettro della radiazione solare dall infrarosso fino all ultravioletto, alta impenetrabilità da parte di agenti esterni (acqua, smog, batteri, muffe, alghe), elevata traspirabilità e resistenza all invecchiamento. Applicazioni nel settore dei 5.8 Beni Culturali In questo ambito sono da citare: l impiego di nuovi materiali nelle operazioni di restauro/consolidamento degli edifici storici ed architettonici, delle opere d arte, dei monumenti (es.: nanocalcinanosali per consolidamento di edifici (interni-esterni), le soluzioni pulenti, anti umidità e anti smog, la protezione ai raggi solari ed elementi inquinanti, le pellicole protettive nella valutazione dello stato di conservazione di immobili e nella datazione ed autenticazione delle opere d arte. 6Nanotecnologie per la futura Smart City La Smart City può essere vista come un ambiente che fa uso capillare e intensivo delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT). Quest ultime, a loro volta, sono strettamente dipendenti dalle tecnologie di base, ossia quell insieme di materiali e metamateriali [2], le cui caratteristiche consentono la realizzazione di dispositivi sempre più performanti. Vediamone alcuni. 6.1 Grafene, nanotubi, stanene e meta-materiali Un punto di svolta (turning point) sulla tecnologia del carbonio si è avuto nel 2004 quando Andre Geim e Konstantin Novoselov, due ricercatori dell Università di Manchester, mentre prelevavano campioni di grafite utilizzando dei nastri adesivi, scoprirono quasi per caso il grafene [3], ossia il materiale più sottile del mondo, costituito da un solo strato di atomi di carbonio. Molto semplicemente, Geim e Novoselov osservarono che quando staccavano il nastro adesivo dal blocco rimaneva su di esso una patina di grafite; iterando questa operazione, che tecnicamente si chiama esfoliazione, si arriva ad un foglio di spessore atomico che è appunto il grafene. Esso è talmente sottile che viene considerato bidimensionale: per arrivare a un millimetro di spessore occorrono tre milioni di fogli di grafene sovrapposti. 6

19 17 La sua sottigliezza non deve però trarre in inganno: il grafene (Figura 14) è cento volte più resistente dell'acciaio e sei volte più elastico, conduce calore ed elettricità, ha una struttura esagonale stabile e regolare ed è quasi trasparente. La scoperta del grafene, da alcuni ribattezzato il materiale delle meraviglie, valse a Geim e Novoselov il premio Nobel nel Le proprietà del grafene e del nanotubo, sono impressionanti e i primi risultati confermano le aspettative nei settori più disparati: aerei più leggeri, connessioni Internet ancora più veloci, chip ultraveloci, retine artificiali, sequenziamento del DNA più rapido, applicazioni mediche e ambientali ritenute impossibili in precedenza, pannelli solari ad alta efficienza, batterie più compatte e durature per le auto elettriche, ecc. Se il grafene può fregiarsi del titolo di materiale delle meraviglie, un altro nanomateriale da poco scoperto dagli scienziati della Stanford University non è da meno: si tratta dello stanene [4]. A dispetto del nome poco attraente, una combinazione della parola latina stannum (ossia stagno) e la desinenza -ene, Figura 15a) presenta una conducibilità elettrica prossima al 100%, assai superiore al grafene. In altre parole ciò significa disporre della tanto ambita "superconduttività a temperatura ambiente, una proprietà che i fisici definiscono isolamento topologico, indicando con essa la peculiarità di un materiale di non permettere il passaggio dell elettricità al proprio interno e, contestualmente, non opporre alcuna resistenza al passaggio della medesima sulla sua superficie o lungo i suoi bordi. Figura 14 - Forme allotropiche del carbonio Figura 15 - (a) Foglio monoatomico di stanene, (b) Metamateriale ad indice di rifrazione negativa carbonio

20 18 Nella comunità scientifica, questo bizzarro comportamento è conosciuto come "effetto Hall quantistico di spin [5], un fenomeno per cui gli elettroni che circolano sulla superficie di un isolante topologico si muovono tutti nella stessa direzione senza esercitare frizione come se, in levitazione, seguissero un flusso continuo di energia. In sintesi lo stanene potrebbe rivoluzionare il mondo della microelettronica, consentendo la realizzazione di microprocessori assai più performanti, nei quali le interconnessioni in stanene consentiranno agli elettroni un elevatissima velocità di propagazione unitamente ad una bassissima dissipazione di potenza, in virtù della superconduttività a temperatura ambiente. Tutto ciò, utilizzando un materiale di partenza come lo stagno che è abbondante in natura e che non minaccia l ecosistema. Recentemente, l uomo è stato anche in grado di produrre i metamateriali, ossia nuovi materiali costituiti da sostanze tradizionali, come metalli o semiconduttori, ma organizzati in schemi alternati in grado di modificare le proprietà collettive. In altri termini, un metamateriale acquisisce le sue proprietà dalla sua struttura piuttosto che direttamente dalla sua composizione chimica; in particolare, i meta-materiali consentono di manipolare la radiazione elettromagnetica in modi impensabili per i materiali convenzionali. Aspetto precipuo dei metamateriali è la loro capacità di rifrangere le radiazioni elettromagnetiche in senso inverso rispetto a quelli naturali, ossia sono materiali a rifrazione negativa (Figura 15b). Per questa peculiarità, i metamateriali consentono la realizzazione di dispositivi elettromagnetici dalle caratteristiche e dimensioni impossibili da conseguire con i materiali ordinari e il loro impiego è strategico in un campo di frequenze molto vasto che si estende dalle microonde fino al dominio ottico. L indice di rifrazione negativa dei metamateriali consente ad esempio la realizzazione di lenti per dispositivi ad infrarossi che sono assai più piccole delle lenti tradizionali; questo consente ad esempio un integrazione più spinta dei sensori e dei dispositivi elettro-ottici impiegati nei sistemi di telecomunicazioni. Sempre nell ambito delle telecomunicazioni, i metamateriali hanno finalmente consentito di operare nella Terahertz band [6], una porzione dello spettro radio (300 GHz 10 THz) molto promettente in ambito Smart City, che non poteva essere gestita dalle apparecchiature elettroniche convenzionali per via della frequenza eccessivamente elevata ma nel contempo presentava frequenze troppo basse per essere gestite dalle apparecchiature ottiche. In ambito Smart City, le lenti a metamateriale hanno consentito una rivoluzionaria metodologie per il monitoraggio della qualità dell aria che respiriamo. In particolare, nell ambito del progetto MIR- THE (Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment) [7] si stanno sviluppando microsensori che misurano la quantità delle tracce di determinati gas, sia nell'atmosfera che nella respirazione umana. Tali sensori utilizzano, per la parte analitica, anche dei laser a infrarossi. In precedenza, una capillare distribuzione sul territorio dei suddetti sensori era improponibile per via delle loro notevoli dimensioni delle lenti; ora, con l adozione dei microsensori a lente in metamateriale, il problema è risolto. Vi è anche una notevole attenzione sui risultati ottenuti da alcuni ricercatori della Duke University [8] che hanno realizzato un sensore "fotografico" a metamateriale capace di comprimere le immagini già in fase di acquisizione in modo più efficiente di quanto non facciano gli attuali algoritmi JPEG. Attualmente, il nuovo sensore a metamateriale è capace di registrare immagini statiche e sequenze a 10 fps (fotogrammi per secondo); il fatto che la compressione avvenga nella primissima fase di acquisizione, direttamente nell'hardware anziché in una successiva fase di post-elaborazione software, elimina la necessità di altro hardware dedicato e riduce i costi legati alla memoria ed alla trasmissione delle informazioni. Super accumulatori a grafene e 6.2 nanotubi per il veicolo elettrico Un team di ricercatori della Rice University [9] ha ottenuto un perfetto connubio tra un substrato di grafene e dei nanotubi fatti crescere a partire dal medesimo. Questa struttura rappresenta ad oggi il miglior materiale di interfaccia disponibile per la realizzazione degli elettrodi da impiegare nello stoccaggio dell energia elettrica. Il team è riuscito a far crescere con successo una fitta rete di nanotubi di carbonio, che si ergono dal foglio base di grafene, estendendosi in altezza fino a 120 μm (Figura 16a). Questi nanotubi che si ergono dal grafene, offrono una grandissima superficie di immagazzinamento, il fattore chiave per molti impieghi, come ad esempio, la realiz-